Pourquoi le placage au laser et WAAM ne sont pas synonymes

une impression métallique plus rapide et plus précise grâce à la combinaison

Depuis les progrès de l'impression 3D, l'intérêt pour le placage s'est accru, car il peut être utilisé pour faire plus que simplement appliquer des couches d'usure. De plus en plus d'applications apparaissent dans lesquelles des formes 3D sont réalisées avec le placage. En principe,  deux technologies existent pour cela: le placage au laser et le WAAM. Quelles sont leurs différences? L'une d'entre elles est-elle plus intéressante que l'autre?

Les différences

Tout d'abord, quelles sont les différences entre WAAM et placage au laser? La réponse est contenue dans la formulation elle-même. Le WAAM (Wire-Arc Additive Manufacturing) utilise un onduleur de soudage pour alimenter l'arc au gaz ou au plasma afin de faire fondre le matériau. Et ce matériau est le fil de soudure. Le WAAM est en fait un procédé de soudage avancé, qui n'est pas conçu pour assembler deux composants, mais pour empiler des couches de matière fondue les unes sur les autres et les assembler.

Le placage au laser utilise un laser comme source d'énergie. La surface de la pièce sur laquelle vous souhaitez appliquer le matériau fond sous l'effet de la chaleur et la poudre est déposée via une buse, qui fond également. Cela crée une liaison métallurgique. Le fil de soudure peut également être utilisé comme matériau.

Traditionnellement, le placage au laser avec de la poudre est principalement utilisé pour appliquer des couches d'usure. Le WAAM est souvent considéré comme une technologie plus grossière, tandis que le placage au laser crée une structure plus fine.

Éviter les microfissures grâce aux paramètres du processus

Cela affecte-t-il la densité du matériau final? Non, selon les études. La porosité ou les microfissures dues à une adhérence insuffisante des couches entre elles sont principalement dues à la vitesse du procédé et moins à la densité d'énergie. Cette dernière est souvent attribuée à la qualité supérieure du placage au laser, mais une comparaison récente effectuée par des chercheurs chinois¹ montre que la porosité, ou plutôt son absence, peut être contrôlée en dosant et en distribuant correctement l'énergie libérée pendant le placage. Ce sont les paramètres du processus qui sont déterminants et non la source d'énergie. Les chercheurs se sont penchés spécifiquement sur le placage de l'Inconel 718.

Une autre conclusion de l'étude est que le WAAM est un procédé plus efficace en termes d'utilisation des matériaux. Ce n'est pas illogique. Le fil fondu pénètre dans la pièce pratiquement dans son intégralité, alors qu'avec la poudre, une partie est toujours perdue, même si ce phénomène est limité avec la génération actuelle de têtes de placage.

High-tech et low-tech

La source laser ou la source de gaz ou de plasma sont fondamentalement  très différentes pour une autre raison que la technologie. Les sources laser, même si la technologie est devenue plus accessible, restent de haute technologie, alors que la source de soudage est non seulement beaucoup moins chère en termes d'achat et d'utilisation, mais aussi plus accessible. Cela se reflète directement dans l'investissement requis pour les deux systèmes. Le WAAM nécessite un investissement nettement inférieur à celui d'un système de placage au laser.

L'essentiel pour obtenir un bon résultat réside dans le contrôle du processus et en particulier dans la boucle de rétroaction

Les deux technologies sont souvent utilisées en combinaison avec un robot, car de cette manière, on est moins limité en termes de dimensions des pièces. L'essentiel pour obtenir un bon résultat réside principalement dans le contrôle du processus, et en particulier dans la boucle de rétroaction. Dans quelle mesure la commande est-elle capable d'analyser les données du processus générées par les capteurs en temps réel et de les convertir en ajustements des paramètres?

Le contrôle du bain de fusion est essentiel pour obtenir un bon résultat final. Ces dernières années, les fournisseurs de technologie WAAM ont fait beaucoup de progrès dans ce domaine. Entre autres, la surveillance de la température du bain de fusion et l'ajustement de la vitesse dé déposition des couches permettent d'obtenir une accumulation plus régulière de la pièce. Cela permet au WAAM d'imprimer des structures beaucoup plus fines qu'il y a quelques années.

Combinaison du laser et de l'arc dans une seule tête

La combinaison d'un laser et d'un arc dans une seule tête constitue une avancée récente en Allemagne. Les chercheurs du Fraunhofer ILT combinent le procédé de soudage GMA (soudage à l'arcs sous protection gazeuse) avec un laser. Cela permet de combiner le meilleur des deux techniques: le GMA est plus rapide car le dépôt de matériau est beaucoup plus important que lors de la fusion d'un fil avec un laser. En contrepartie, la fusion du fil de soudure avec un laser est plus précise et produit moins de chaleur. Cette caractéristique a particulièrement séduit l'industrie aéronautique. Les deux techniques combinées forment le soudage hybride LB-GMA.

collar hybrid

L'inconvénient de cette technique est que le processus dépend du sens de l'impression. Il n'est possible de réaliser des formes en 3D que dans une mesure limitée. Des chercheurs allemands ont éliminé cette limitation avec leur nouvelle tête Collar (coaxial laser arc). Dans le processus hybride, l'arc sous protection gazeuse entre l'extrémité du fil et le substrat est entouré d'un rayonnement laser annulaire, une sorte de collier. L'idée derrière cette combinaison est que l'arc ne peut pas sortir de ce collier et est forcé dans le bain de fusion. Cela permet d'augmenter le dépôt par heure de 150%, ce qui permet de produire des pièces plus grandes.

Si des structures très fines et grossières sont nécessaires, les proportions entre les deux procédés peuvent varier: l'arc est complètement éteint ou réglé sur une faible puissance. Ainsi, des structures fines peuvent être déposées dans certaines parties de la pièce; si le procédé à l'arc prévaut, des structures plus grossières, telles que des nervures larges ou des zones avec un taux de dépôt élevé, peuvent être déposées beaucoup plus rapidement, de manière plus économique et avec une consommation d'énergie plus faible. Les couches extérieures étant imprimées avec plus de précision qu'avec le seul procédé WAAM, moins de post-traitement est nécessaire. Collar Hybrid, le nouveau processus, a été développé en collaboration avec le RWTH Aachen University Institute for Welding and Joining (ISF).

Matériaux

Les deux techniques - WAAM et placage au laser - se distinguent par le matériau à traiter ou à utiliser. Dans le cas du placage au laser, des matériaux tels que la céramique et les revêtements bioactifs peuvent être appliqués dans le cadre d'une application classique. Pour l'impression métallique 3D, ce sont les poudres métalliques courantes qui entrent en ligne de compte.

Le WAAM se limite aux alliages métalliques disponibles sous forme de fil de soudure. Cette dernière solution présente l'avantage que de nombreux matériaux sont disponibles à des prix inférieurs à ceux des poudres. En outre, de nombreux fils de soudure sont certifiés, ce qui permet de surmonter un obstacle dans le processus de certification.

Certains fabricants peuvent mélanger plusieurs matériaux. Cela s'applique aussi bien aux fils de soudure qu'aux poudres. Cela permet de faire varier les propriétés d'un produit; en fait, on fabrique son propre matériau, adapté aux exigences spécifiques de la pièce à usiner. La poudre présente l'avantage de permettre un contrôle très précis du mélange. Certains systèmes permettent de mélanger jusqu'à six poudres avec une grande précision sur une longue période. Dans le WAAM avec fil de soudure, on utilise, par exemple, un matériau différent pour les sections d'usure et pour le noyau. Toutefois, les transitions d'un matériau à l'autre sont plus abruptes qu'avec la poudre.

Certains fabricants peuvent mélanger plusieurs matériaux. Cela s'applique à la fois au fil de soudure et à la poudre. Cela permet de faire varier les propriétés d'un produit ; en fait, on fabrique son propre matériau, adapté aux exigences spécifiques de la pièce à usiner

Les applications

L'application typique du placage au laser classique consiste à ajouter des couches résistantes à l'usure ou d'autres fonctionnalités à un produit. Le WAAM est principalement utilisé pour former des caractéristiques 3D, une application qui est également de plus en plus fréquente dans les systèmes basés sur le laser.

L'une des applications les plus courantes est la réparation d'outils ou d'éléments précieux. Les outils, par exemple, comprennent des matrices de forgeage qui sont usées au point de ne plus pouvoir être utilisées. Au lieu de jeter le matériau, le WAAM ou le placage au laser est utilisé pour ramener le matériau usé à la surface, après quoi l'outil est retravaillé mécaniquement. Cette application devrait gagner en importance au fur et à mesure que les réglementations gouvernementales obligent les entreprises à utiliser moins de matériaux et d'énergie.

¹ Lu, X., Li, M.V. & Yang, H. Comparison of wire-arc and powder-laser additive manufacturing for IN718 superalloy : unified consideration for selecting process parameters based on volumetric energy density. Int J Adv Manuf Technol 114, 1517-1531 (2021).